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1、新型固态发酵设备的种类及用途 摘要: 本文介绍了现代新型固态发酵设备的特点及其优越性，同时综述了国内外固态发酵设备的开发现状及最新研究动态，为开发研制新型固态发酵设备提供参考。关键词固态发酵,固态发酵反应器1.浅盘发酵器这是比较常用的一种固态发酵设备,对传统的浅盘发酵进行了简单的改进,培养基经灭菌冷却装入浅盘,通过空气增湿器调节空间的温湿度,可通入经过滤的无菌空气,满足菌体生长对氧的需求浅盘发酵中由于存在对流空气,散热效果不理想,发酵物料的厚度有一定限制;另外,浅盘发酵中还涉及到氧气消耗问题,因而对此类生物反应器进行设计时应考虑强制通风,避免这类问题的产生。虽然浅盘反应器操作简便,产率较高,产
2、品均匀,但因体积过大,耗费劳动力大,无法进行机械化操作,不适宜在工业生产中应用。2.转鼓式发酵器转鼓式反应器适合固态发酵的特点,可满足充足的通风和温度控制,因而对它的研究也较多.Hardrin (2000) 等根据微生物生长产热量最高峰时的热量产生与去除效果的比率,利用无因次设计因数(DDF) 来研究设计转鼓式发酵器(RDB) ,它能够预测给定条件下反应床中能达到的最大温度值,得出发酵期间最大耐受温度,并结合操作变数作出相应的控制措施,该方法提出了利用几何相似性原则进行反应器设计,放大时考虑的3个策略:第1 维持通过RDB 的空气表面流速恒定;第2 维持反应器单位体积内空气体积比率恒定;第3
3、反应器放大时调节空气气流速度以维持期间反应床中到达的最高温度恒定。另外,运用DDF 方法进行反应器放大设计也可适用于其他固态发酵生物反应器,如浅盘式发酵器,流动床反应器及填充床反应器等,或通过构建系统热量除方法用于其他特殊类型的生物反应器放大设计。Han (1999) 等设计的该反应器配有搅拌轴,料气进出口及接种口等,培养基灭菌、接种、通气培养和干燥可在发酵器内进行,可有效防止杂菌污染,恒温水浴控制温度,恒温冷水喷雾冷却旋转鼓,发酵时温度波动小,机械化程度高。通过实验比较了静置式与搅拌式对大豆根霉发酵效果的影响,结果表明,该发酵反应器操作隔离性能好,通过传感器对操作参数进行检测和控制,滚轴旋转
4、速度在11540 r/ min , 空气进入管中流速为210 L/min ,但反应器体积放大有一定的局限性。因其影响到反应器的热量扩散和培养基的灭菌效果,此外,前期过多拌料等因素对一些菌属的生长有较大的影响; Han (1999) 等利用RDB 根霉发酵大豆生产新型的固态发酵产品,可作为粉状食品的配料。目前,RDB 被应用于酒精、酶、制曲、植物细胞培养、根霉发酵大豆及丹贝等生产中。3.旋转圆盘式发酵机旋转圆盘式发酵机是目前国内较为先进的新型固态发酵设备。密封效果好,不仅杜绝了杂菌污染,更能有效地保持温、湿度,并能方便地进行自动化测温、控温、控湿,为微生物生长繁殖提供了有利条件。料床为圆盘动力旋
5、转式,既可以消除发酵“死角”,又得以与入料、翻料、摊平、出料等机构有机地配合,实现出入料、摊平、翻料机械化,大大地方便了生产,从而可与前后工序的设备配套,形成自动化程度较高的生产线,该机适用于发酵周期短的产品生产。4.搅拌式发酵反应器搅拌式发酵反应器和液态反应器类似,有立式和卧式之分,卧式反应器根据搅拌方式又可分为转轴式和转筒式。但由于固态基质的搅拌特性,对搅拌浆的设计有特殊要求。此类搅拌器在食品工业早已应用,日本生产的小型带柴油发动机的专门用于纤维素物质固态发酵的搅拌式小型反应器,可供乡村家庭使用,其发酵产物可直接用作饲料。江苏大学生物工程研究所从20 世纪90 年代末就致力于开发固态物料发
6、酵系统,研制出的固态发酵反应器将物料的混合、灭菌、冷却、接种、发酵几个工艺过程,集中在一个工位完成,避免了物料的搬动,保证微生物生长所需的环境条件,防止了杂菌的污染,在技术上有了新的突破。5.压力脉动固态发酵反应器压力脉动固态发酵反应器设计主要是以流体静力学理论为基础(固相培养基静态) ,以法向作用力为动力源(气相动态周期作用力) ,强调生物反应器是一个非线性活细胞代谢与周围环境进行质量、热量、能量、信息交换的生态系统,是由生命系统和环境系统组成的特定空间,而不是单一的装置。用无菌空气对密闭低压容器的气相压力施以周期性脉动。罐体气相压力通过无菌空气进行充压与泄压。峰压值一般为1501350 M
7、Pa ,谷压一般为1103 MPa 。峰压时间与谷压时间由人为设定控制,并随发酵时间而变化,一般在对数增长期变化频率高,延迟期与稳定期频率小。周期一般为25215 h , 随需要而定。“压力脉动”对固体培养基是静态,但对气相则是动态。其发酵设备的成果处于国际领先水平。目前,压力脉动固态发酵反应器已成功地从实验室的2 、50 、800 L 放大到25 m3 、50m3 、70 m3 的工业级生产规模。并对装料方式等进行了改进。应用范围涉及到抗生素、酶制剂、有机酸、食品添加剂、生物农药和生物肥料等。6.滚筒式固体式发酵机一种多功能固态发酵设备，可应用于制曲、酶制剂固态发酵工程、生物农药固态发酵工程
8、、生物色素固态发酵工程、工农业废渣固态发酵饲料蛋白工程等场合；集配料、混合、灭菌、冷却、接种、发酵于一身，可实现强制通风，无菌发酵操作，温度自控；整机低速旋转使发酵物得到均匀混合，从而有很好的传热、传质性能，由于剪切力较低，不会对菌丝的正常生长造成伤害。滚筒容积：6m3、发酵能力：1吨/批（干基）、功率：3kw、转速：03rpm、电源：220V，50Hz；其它规格可根据工程实际规模设计制造。另外，可提供转盘式固态发酵机、填料床式固态发酵池等固态发酵技术及设备配套；通风填料床容量11.5吨干料，不锈钢筛板床面，消除死角，通风均匀，清洗容易，运转良好，实现多参数的良好控制，提高产品质量，降低成本。
9、 7.卧式固态物料发酵罐一种新型可适用丝状真菌的固态物料发酵罐。物料在同一设备里完成混合、灭菌、接种、培养、出料等整个过程; 性价比要高, 有推广应用价值。本固态物料发酵罐为固定卧式罐体, 两端封头用法兰与罐体联接, 接有温、湿度监测仪及排气孔, 罐体上接有蒸汽及灭菌空气进口, 搅拌叶片呈一定角度排列装于搅拌轴上, 罐体上装有进料口和出料口, 罐体外有夹套, 夹套外有保温层。本设备凡与物料接触部分均采用不锈钢制作, 减速机选用双级型摆线针轮减速机, 转速为23r/min。该固态物料发酵罐与现有设备相比, 有以下优点: 物料直接在罐内灭菌、冷却, 从而避免了物料的二次污染; 在灭菌和发酵的过程中
10、, 物料通过叶片的正、反转, 保证物料的疏松、均匀, 提高了发酵的均匀性, 缩短了发酵周期, 提高了生产率; 由于通入无菌空气, 大大降低了杂菌污染率, 提高了产品的得率和质量; 可适用于丝状菌体的工业化生产。上述各种固态反应器中,在工业上已得到应用的还是盘式、转鼓式及搅拌式反应器,国内对各种性能固态反应器的研制还刚刚开始。在考虑研制新型固态发酵反应器时,强制通风、温控,物料不宜长时间处于静止状态,能增温,机械化程度高,易于操作,便于清洗消毒,投资少等因素是关键。随着人们对固态发酵过程动力学数学模型的不断研究和发展,不断揭示固态发酵过程的变化规律,加之系统控制技术的完善,固态发酵反应器的设计会更加科学合理,从而使固态发酵系统工艺参数控制达到最优化。参考文献1李道棠1 生命科学,1992 ,4 (5) :33342 徐福建,陈洪章等1 固态发酵反应器的实验装置,中国专利:CN012069317 ,1993 - 073 陈永志,张林泉等11997 ,13 (3) :235239 4 张楚富. 生物化学原理M . 北京:高等教育出版社,2003 :2765 陈毓荃. 生物化学研究技术M . 北京:中国农业出版社,1995 :30231.